OpenGl 第七章：纹理映射 (texture mapping)

本章你将学到

• 纹理映射基础知识
• 纹理坐标
• 纹理对象及绑定
• 纹理过滤
• mipmap和自动生成mipmap
• 纹理参数, 外包模式, 细节级别
• 纹理环境和纹理函数

Table of Contents

• 1 概述
• 2 预备知识： 纹理坐标
• 3 使用纹理映射
  • 3.1 纹理对象
  • 3.2 纹理绑定
  • 3.3 删除纹理对象
  • 3.4 驻留纹理
  • 3.5 纹理优先级
• 4 指定纹理
  • 4.1 2D 纹理
  • 4.2 1D 纹理
  • 4.3 3D 纹理
  • 4.4 Cube Map 纹理
• 5 纹理过滤
• 6 简单例程

1 概述

     概括的说， 纹理映射机制允许你将一个图像关联到一个多边形上，从而呈现出真实视觉效果。例如， 你可以将书的封面图像应用到一个方形上， 这样这个方形看起来就像是一本书了。 你可以将地球的地图通过纹理映射应用到一个球体上， 那么这个球体就是一个3D的具真实感的地球了。纹理映射在当今的3D图形应用上处处皆是。今天的游戏都是通过纹理映射来作为虚拟真实的第一个步骤。

    纹理映射是一个二维的数组。数组中的每一项称之为纹理点( texel )。 虽然这个数组是二维的， 但是可以映射到非二维的对象上， 如球体或者其他的 3D 对象模型上。

    比较常见的是， 开发者在他们的图形应用中运用二维纹理， 当然一维或者三维的纹理也并非未闻。二维纹理有宽度和宽度决定二维。一维纹理也有宽度和高度， 只是高度被设为值 1（单位：像素 pixel). 而三维纹理不仅具有宽度和高度， 还有深度， 所以三维为纹理又称为立体纹理。我们讨论的主要是二维纹理。

2 预备知识： 纹理坐标

    在 OpenGl 中是通过指定纹理坐标来将纹理映射到多边形上去的. 在纹理坐标系中, 左下角是 (0,0), 右上角是 (1,1). 2D 纹理的坐标中通过指定 (s,t) (s为x轴上,t为y轴上, 取值0~1). 1D, 3D, 4D纹理坐标系中对应的需要指定 (s), (s,t,r), (s,t, r,q).

    纹理坐标需要通过函数 glTexCoord() 来设置, 此函数:

void glTexCoord{1234}{sifd}(TYPE coords);

void glTexCoord{1234}{sifd}v(TYPE coords);

    如将 2D 纹理坐标设为 (0.2, 0.4):

glTexCoord2f( 0 .2f, 0 .4f);

    每次通过 glVertex() 指定一个顶点时, 当前的纹理坐标会被应用到这个点上. 所以每指定一个新的顶点, 需要同时修改纹理坐标:

glBegin(GL_POLYGON);
        glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-0.5f, 0.5f, 0.5f); //左下角
        glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(0.5f, 0.5f, 0.5f); // 右下角
        glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(0.5f, 0.5f, -0.5f); // 右上角
        glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-0.5f, 0.5f, -0.5f); // 左上角
glEnd();

    至此, 我们知道了纹理坐标如何赋值.且看如何创建纹理:

3 使用纹理映射

    纹理就是应用到多边形上的图像. 这些图像可以从文件中加载, 或是在内存中生成. 一旦你将图像数据加载到了内存中, 你需要指定其为纹理映射来使用它. 指定其为纹理映射, 首先需要生成一个纹理对象, 其中存储着纹理的诸如图像数据, 如何应用等信息.

    纹理是一个OpenGL状态, 因而通过 glEnable() 和 glDisable() 来开闭， 参数是 GL_TEXTURE_1D,  GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_3D,  GL_TEXTURE_CUBE_MAP.

3.1 纹理对象

    纹理对象是内部数据类型, 存储着纹理数据和选项等. 你不能直接访问它, 但是可以通过一个整数的 ID 来作为其句柄 (handler) 来跟踪之. 为了分配到一个唯一的 ID, OpenGL 提供了glGenTextures() 函数来获取一个有效的 ID 标识值:

void glGenTexture(Glsizei n, GLuint *texture);

    texture 是一个数组, 用于存储分配到的n个ID值. 在调用一次 glGenTextures() 后, 会将分配到的 ID 标识为'已用', 虽然直到绑定后才真正为'已用'.

    分配3个纹理对象 ID:

unsigned int textureObjects[3];
glGenTexture(3, textureObjects);

3.2 纹理绑定

    在第一次绑定一个纹理对象时, 会将一系列初始值来适应你的应用. 函数 glBindTexture() 用于绑定操作:

void glBindTexture(GLenum target, GLuint texture);

    target 指定了纹理类型: GL_TEXTURE_1D,  GL_TEXTURE_2D,  GL_TEXTURE_3D,  GL_TEXTURE_CUBE_MAP.  texure 是你希望绑定的纹理对象的 ID.

    一个被绑定的纹理对象直到被删除,或被另外的纹理对象绑定到 target 上才被解除绑定. 当一个纹理对象绑定到 target 上后， OpenGL 的后续的纹理操作都是基于这个纹理对象的。

glBindTexture (GL_TEXTURE_2D, textureObject[0]);
// 后面的对 GL_TEXTURE_2D 的纹理操作影响 textureObject[0]

glBindTexture (GL_TEXTURE_3D, textureObject[1]);
// 后面的对 GL_TEXTURE_3D 的纹理操作影响 textureObject[1]
// 对 GL_TEXTURE_2D 的纹理操作依然影响 textureObject[0]

glBindTexture (GL_TEXTURE_2D, textureObject[2]);
// 后面的对 GL_TEXTURE_2D 的纹理操作影响 textureObject[2]
// 对 GL_TEXTURE_3D 的纹理操作依然影响 textureObject[1]

3.3 删除纹理对象

    创建一个纹理对象后, OpenGL为其分配内存, 所以当不再使用一个纹理对象时, 为防止内存泄露, 必须删除. 删除纹理对象的函数: glDeleteTexture() :

void glDeleteTexure(Glsizei n, Gluint *texture);

    texture 指定了要删除的纹理对象的 ID (n个). 在删除后, texture 中的各个对象 ID 会置为0.

3.4 驻留纹理

    显卡有一块固定大小的内存区域专门用于存储纹理数据。当数据超量时，会将一部分纹理数据移除到系统内存中（通常是最近最少使用的纹理数据). 当这些移除的纹理被再次使用时，会影响击中率， 因为它们会被再次移入显卡的内存中。你可以查看一个纹理对象是否驻留在显卡内存中未被移出， 通过函数 glAreTexturesResident() :

GLboolean glAreTexturesResident (GLsizei n, GLuint *textures, GLboolean *residents);

    texture 中每一项纹理对象的驻留情况会存储在 resident 参数中返回。 若 textures 中有一项纹理对象不在内存驻留内存， 函数会返回 GL_FALSE.

3.5 纹理优先级

    纹理的优先级是针对驻留显卡内存而言。优先级设置函数 glPrioritizeTextures() :

void glPrioritizeTextures (GLsizei n, GLuint *textures, GLclampf *priorities)

    前两个参数 textures 和 n 指定了要设置优先级的纹理对象数组。 priorities 是 textures 中每一项纹理对象对应的优先级， priorities 中每一项的优先级取值区间是 [0,1], 0为优先级最低， 1 为最高。 glPrioritizeTextures() 函数会忽略掉那些未使用的和优先级要设为 0 的纹理对象。

4 指定纹理

    OpenGL 提供了三个函数来指定纹理: glTexImage1D(), glTexImage2D(), glTexImage3D(). 这三个版本用于相应维数的纹理， 例如如果纹理是3D纹理，则需要有 glTexImage3D() 来指定。

4.1 2D 纹理

void glTexImage2D (GLenum target, GLint level, GLint internalFormat, GLsizei width, GLsizei height, GLint border, GLenum format, GLenum type, const GLvoid* texels);

    参数 target 是 GL_TEXTURE_2D （二维纹理) 或 GL_PROXY_TEXTURE_2D （二维代理纹理), 代理纹理暂且不提。

    参数 level 指定了纹理映射细节的级别，用在mipmap中。 基本的纹理图像级别为0， 在后面的mipmap部分讲解。

    参数 internalFormat 指定了纹理存储在显存中的内部格式， 取值在下表， 为兼容 OpenGL1.0 internalFormat 可以取值 1，2，3，4 分别对应常量 LUMINANCE, LUMINANCE_ALPHA,  RGB,  RGBA.

纹理内部格式

格式	注解
GL_ALPHA	Alpha 值
GL_DEPTH_COMPONENT	深度值
GL_LUMINCE	灰度值
GL_LUMINANCE_ALPHA	灰度值和 Alpha 值
GL_INTENSITY	亮度值
GL_RGB	Red, Green, Blue三原色值
GL_RGBA	Red, Green, Blue 和 Alpha 值

    参数 width 和 height 定义了纹理映射的大小，前面已经说过纹理映射就是一个二维数组。 和 glDrawPixels() 一样， 纹理映射的宽度和高度必须是 2 的整数次幂。

    参数 border 注明了纹理是否有边框。无边框取值为 0， 有边框取值为 1， 边框的颜色由 GL_TEXTURE_BORDER_COLOR 选项设置。

    接下来的三个参数主要定义了图像数据的格式。

    参数 format 定义了图像数据数组 texels 中的格式。可以取值如下：

图像数据数组 texels 格式

格式	注解
GL_COLOR_INDEX	颜色索引值
GL_DEPTH_COMPONENT	深度值
GL_RED	红色像素值
GL_GREEN	绿色像素值
GL_BLUE	蓝色像素值
GL_ALPHA	Alpha 值
GL_RGB	Red, Green, Blue 三原色值
GL_RGBA	Red, Green, Blue 和 Alpha 值
GL_BGR	Blue, Green, Red 值
GL_BGRA	Blue, Green, Red 和 Alpha 值
GL_LUMINANCE	灰度值
GL_LUMINANCE_ALPHA	灰度值和 Alpha 值

    参数 type 定义了图像数据数组 texels 中的数据类型。可取值如下

图像数据数组 texels 中数据类型

数据类型	注解
GL_BITMAP	一位(0或1)
GL_BYTE	带符号8位整形值(一个字节)
GL_UNSIGNED_BYTE	不带符号8位整形值(一个字节)
GL_SHORT	带符号16位整形值(2个字节)
GL_UNSIGNED_SHORT	不带符号16未整形值(2个字节)
GL_INT	带符号32位整形值(4个字节)
GL_UNSIGNED_INT	不带符号32位整形值(4个字节)
GL_FLOAT	单精度浮点型(4个字节)
GL_UNSIGNED_BYTE_3_3_2	压缩到不带符号8位整形：R3,G3,B2
GL_UNSIGNED_BYTE_2__3_REV	压缩到不带符号8位整形：B2,G3,R3
GL_UNSIGNED_SHORT_5_6_5	压缩到不带符号16位整形：R5,G6,B5
GL_UNSIGNED_SHORT_5_6_5_REV	压缩到不带符号16位整形：B5,G6,R5
GL_UNSIGNED_SHORT_4_4_4_4	压缩到不带符号16位整形:R4,G4,B4,A4
GL_UNSIGNED_SHORT_4_4_4_4_REV	压缩到不带符号16位整形:A4,B4,G4,R4
GL_UNSIGNED_SHORT_5_5_5_1	压缩到不带符号16位整形：R5,G5,B5,A1
GL_UNSIGNED_SHORT_1_5_5_5_REV	压缩到不带符号16位整形：A1,B5,G5,R5
GL_UNSIGNED_INT_8_8_8_8	压缩到不带符号32位整形：R8,G8,B8,A8
GL_UNSIGNED_INT_8_8_8_8_REV	压缩到不带符号32位整形：A8,B8,G8,R8
GL_UNSIGNED_INT_10_10_10_2	压缩到32位整形：R10,G10,B10,A2
GL_UNSIGNED_INT_2_10_10_10_REV	压缩到32位整形：A2,B10,G10,R10

    你可能会注意到有压缩类型， 先看看 GL_UNSIGNED_BYTE_3_3_2, 所有的 red, green 和 blue 被组合成一个不带符号的8位整形中，在 GL_UNSIGNED_SHORT_4_4_4_4 中是把 red, green , blue 和 alpha 值打包成一个不带符号的 short 类型。

    最后一个参数是 texels, 这个指针指向实际的图像数据（你自己生成的或是从文件中加载的）。OpenGL 会按照 type 参数指定的格式来读取这些数据，

    例如， 假设你加载了一个 RGBA 图像到 textureData 中（ 宽高为 textureWidth, textureHeight).你想要用它来指定一个纹理， 可以这样做：

glTexImage2D (GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, textureWidth, textureHeight, 0,
        GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, textureData);

    执行完这个函数后， 纹理会加载，等待被使用。

4.2 1D 纹理

    1D 纹理其实就是 2D 纹理的特殊形式（高度等于1）。这类纹理常常用来描绘颜色边界从而创造出阴影效果。创建 1D 纹理的函数如下：

void glTExImage1D (GLenum target, GLint level, GLint internalFormat, GLsizei width,

GLint border, GLenum format, GLenum type, const GLvoid *texels);

    函数中的参数同 glTexImage2D(), 不同的是 height 参数没有被给出（因为定值1）， 参数 target 也需要指定为 *GL_TEXTURE_1D*。

    下面是简单的代码， 用于创建32个纹理点宽度的 RGBA 纹理：

unsigned char imageData[128];
...
glTexImage1D (GL_TEXTURE_1D, 0, GL_RGBA, 32, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, imageData);

4.3 3D 纹理

    创建 3D 纹理的函数:

glTexImage3D(GLenum target, GLint level, GLint internalFormat, GLsizei width GLsizei height, GLsizei depth, GLint border, GLenum format, GLenum type, const GLvoid *texels);

    函数参数同 glTexImage1D() 和 glTexImage2D() 大部分相同，不同的是多了一个深度参数 depth, 指定了纹理的第三维。

    下面的代码片段， 用于创建一个 16*16*16 个纹理点的 RGB 纹理：

...
glTexImage3D (GL_TEXTURE_3D, 0, GL_RGB, 16, 16, 16, 0, GL_RGB,
                GL_UNSIGNED_BYTE, imageData);

4.4 Cube Map 纹理

    一个 Cube Map 纹理是由6个2D纹理组成。对应的， 需要通过 glTexImage2D() 来指定6个 target 参数： GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X, GL_TEXTURE_CUBE_MAP_NEGATIVE_X,  GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_Y, GL_TEXTURE_CUBE_MAP_NEGATIVE_Y, GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_Z,  GL_TEXTURE_CUBE_MAP_NEGATIVE_Z.

5 纹理过滤

    将纹理映射到多边形上， 实际上是将纹理的图像数据空间映射到帧缓冲图像空间上。所以， 你必须保证纹理图像加载完成。 纹理图像被映射到多边形上可能会造成失真。纹理图像映射到多边形上去，屏幕上的一个点可能是纹理点的一个部分(如果视口设置的离纹理很近), 也有可能屏幕上的一个像素点是多个纹理的集合(如果视口设置的足够远). 纹理过滤就是告诉 OpenGL 在纹理到屏幕像素点的映射中如何计算最终显示的图像数据。

    在纹理过滤中， 放大器处理一个屏幕像素点代表一个纹理点的一部分的情况；缩小器处理一个像素点代表多个纹理点的情况. 你可以通过下面函数来告诉 OpenGL 怎样处理这两种情况：

void glTexParameter{if}(GLenum target, GLenum pname, T param);

void glTexParameter{if}v(GLenum target, GLenum pname, T params);

glTexParameter 不仅仅设置放大器和缩小器， 在本章中，由于只涉及纹理，所以只讨论纹理相关的参数取值.

   参数 target 指的是纹理目标， 可以是 GL_TEXTURE_1D, GL_TEXTURE_2D*, GL_TEXTURE_3D 或 GL_TEXTURE_CUBE_MAP 。 指定纹理放大过滤器需要指定参数 pname 为 GL_TEXTURE_MAG_FILTER, 指定纹理缩小过滤器需要指定参数 pname 为 GL_TEXTURE_MIN_FILTER.

当指定为 GL_TEXTURE_MAG_FILTER, 参数 param 取值 GL_NEAREST 或 GL_LINEAR. 对放大过滤器而言， 使用 GL_NEAREST 将告诉 OpenGL 使用离像素点中心最近的纹理来渲染, 这被称作 点样( point sampling); 使用 GL_LINEAR 告诉 OpenGL 会使用离像素点中心最近的四个纹理的平均值来渲染. 这被称作 双线性过滤( bilinear filtering)。

缩小过滤器比放大过滤器的取值更广， 下表是指定缩小过滤器时， 参数 param 的取值， 下面表中的值是为了增强渲染质量。

缩小过滤器的参数

过滤参数	注解
GL_NEAREST	使用像素点中心最近的点渲染
GL_LINEAR	使用双线性过滤
GL_NEAREST_MIPMAP_NEAREST
GL_NEAREST_MIPMAP_LINEAR
GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST
GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR

    在缩小过滤器中， 有4个参数处理mipmap， 这将会在后面的mipmap部分讲解。

默认情况下， 放大过滤器的参数为 GL_LINEAR, 缩小过滤器为 GL_NEAREST_MIPMAP_LINEAR.

在渲染纹理时， OpenGL 会先检查当前的纹理是否加载完成，同时也会处理其他事情，如在选用缩小过滤器的mipmap处理时会验证mipmap的所有级别是否被定义。 如果纹理未完成， 纹理会被禁用。因为缩小过滤器的缺省值使用mipmap，所以你必须指定所有的mipmap级别或是将缩小过滤器的参数设为 *GL\_LINEAR* 或*GL\_NEAREST*.
 

6 简单例程

    在初始化函数 init() 中创建了纹理对象， 设定了过滤模式：

bool CGfxOpenGL::init ()
{
    glClearColor (0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);

    // 启用 2D 纹理
    glEnable (GL_TEXTURE_2D);

    m_textureOne = new CTargaImage;

    // 加载纹理图像
    if (!m_textureOne->Load ( "rock.tga" ))
        return false ;

    // 创建纹理对象，
    glGenTextures (1, &m_textureObjectOne);

    // 绑定纹理对象
    glBindTexture (GL_TEXTURE_2D, m_textureObjectOne);

    // 设定缩放器的过滤参数
    glTexParameteri (GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
    glTexParameteri (GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);

    // 为纹理对象指定纹理图像数据
    glTExImage2D (GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, m_textureOne->GetWidth(),
                  m_textureOne->GetHeight(), 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE,
                  m_textureOne->GetImage());

    // 创建第二个纹理对象
    glGenTexture (1, &m_textureObjectTown);
    glBindTexture (GL_TEXTURE_2D, m_textureObjectTwo);

    glTexParameteri (GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
    glTexParameteri (GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);

    glTexImage2D (GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, m_textureOne->GetWidth(),
                  m_textureOne->GetHeight(), 0, GL_TGB, GL_UNSIGNED_BYTE,
                  m_textureOne->GetImage());

    // 初始化运动变量
    m_zPos = -0.5f;
    m_zMoveNegative = true ;

    return true ;
}

    在 init() 函数中， 我们先启用 2D 纹理( glEnable() ), 然后加载图像到 CTargaImage 类中（详见第6章）， 然后通过 glGenTextures() 获得一个未被使用的纹理对象， 继而绑定， 指定缩放器的过滤模式， 最后为纹理指定图像数据（通过 glTexImage2D() ). 然后同样的流程创建了第二个纹理对象， 使用了同样的纹理图像数据。只是缩放器的过滤参数做了下更改。

    主要的渲染函数有两个 DrawPlane(), Render() :

void CGfxOpenGL::DrawPlane ()
{
    glBegin (GL_TRIANGLE_STRIP);
        glTexCoord2f (1.0, 0.0); glVertex3f (2.0, -2.0, -2.0);
        glTexCoord2f (0.0, 0.0); glVertex3f (-2.0, -2.0, -2.0);
        glTexCoord2f (1.0, 1.0); glVertex3f (2.0, -2.0, 2.0);
        glTexCoord2f (0.0, 1.0); glVertex3f (-2.0, -2.0, 2.0);
    glEnd();
}

void CGfxOpenGL::Render ()
{
    // 清除屏幕和深度缓存
    glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

    // 重置当前矩阵
    glLoadIdentity ();

    // 绘制左边的多边形
    glPushMatrix ();
            //
            glTranslatef (-3.0, 0.0, m_zPos);
            glRotatef (90.0, 1.0, 0.0, 0.0);

            // 绑定纹理
            glBindTexture (GL_TEXTURE_2D, m_textureObjectOne);

            // 绘制 Plane
            DrawPlane ();
    glPopMatrix();

    // 同样地， 绘制右边多边形
    glPushMatrix ();
            glTranslatef (3.0, 0.0, m_zPos);
            glRotatef (90.0, 1.0, 0.0, 0.0);
            glBindTexture (GL_TEXTURE_2D, m_textureObjectTwo);
            DrawPlane ();
    glPopMatrix();

}

    在 DrawPlane() 中， 我们指定了纹理坐标然后绘制多边形的顶点。在 Render() 中，我们先绑定好纹理对象， 然后绘制多边形。